基于無線混合組網技術的高校教室智能系統設計與實現

易丹　劉國成　霍睿

摘? ?要：目前高校教室正朝著智能化、節能化的方向發展。文章以廣州鐵路職業技術學院的傳統教室智能化升級改造為例，提出一種基于多協議無線混合組網技術的無線后裝系統解決方案，通過ZigBee，WiFi，HomeRF等無線后裝模塊的混合組網，實現對燈光、窗簾、空調等設備的智能控制以及AI語音控制、智能安防等功能。實踐證明，無線智能后裝系統節能效果好、穩定可靠、操作方便，以較低的成本實現了對傳統教室智能化改造的目的。

關鍵詞：智能教室;無線混合組網;后裝系統

高校傳統教室升級成智能教室，可采用前裝方案或后裝方案;根據通信技術標準可采用有線方案或無線方案[1]。目前，后裝系統的教室智能升級改造普遍基于某一種無線技術，比如ZigBee或者WiFi，單一的組網技術存在一些弊端，如功能和場景較為單一、傳輸數據格式受限、能耗偏高等[2]。本文以廣州鐵路職業技術學院（以下簡稱廣鐵職院）智能化教室升級改造為例，提出一種多協議無線混合組網技術的智能后裝方案。

1? ? 無線組網技術解決方案

1.1? 無線組網技術對比分析

智能家居的常用無線技術有WiFi，Bluetooth，HomeRF，Z-Wave，ZigBee等。不同的無線協議有各自的優缺點，可根據不同的場景選擇合適的無線方案，吸納各自的優點。WiFi的傳輸速度快，信號范圍可達100 m，平均傳輸速率可達到11 Mbps，但功耗相對較高，適合數據格式較大的多媒體數據網絡傳送;ZigBee功耗低、可接入節點數多、響應時間短、傳輸慢、可自組網，適合傳輸字節數不多的場景，如傳感器檢測數據;Bluetooth接入節點數受限制;HomeRF速率快、安全可靠、支持流媒體等。

1.2? 基于多功能網關的ZigBee，WiFi和HomeRF兼容性解決方案

目前高校智能教室的無線組網一般基于某一種無線技術，使混合組網方案的通信干擾問題一直存在。從ZigBee與WiFi工作時的頻譜看，工作頻率是互相沖突的。研究發現WiFi干擾的存在導致ZigBee網絡丟包率高達58%，從發射功率、CSMA機制的回退時間、數據幀間隔等參數，都可以看出WiFi節點在獲取信道方面具有壓倒性優勢，對ZigBee網絡的通信性能產生嚴重影響[3]。

本智能教室采用了一種基于ZigBee+WiFi+HomeRF的多協議混合組網技術，主控模塊采用貝樂智能科技有限公司的多功能智能網關，可兼容ZigBee，WiFi，HomeRF協議，干擾影響大幅減少。智能主機將ZigBee芯片JN5168和WiFi模塊集成在電路板上，芯片采用MuZi-Mulit Channel ZigBee（多通道ZigBee）通信機制算法，首先，通過ZigBee的信道空閑評估（CCA）機制，啟動干擾檢測，對范圍內的干擾級別進行評估，若WiFi和HomeRF干擾達到一定程度，則啟動信道切換過程。其次，為避免信號頻繁切換，最小化全網目標的信號數量，每個節點會維護一張鄰居信道表，當信道進行切換時，將其選擇的目標信道通知其臨近節點[4]。

2? ? 系統整體設計

系統主要完成對教室中各項環境信息、空間信息等的獲取，通過ZigBee，WiFi，HomeRF模塊將數據傳至上位機，手機APP可通過4G模塊遠程控制教室中各類電器的工作狀態。本系統硬件模塊由主控模塊、傳感檢測模塊、電器控制模塊、安防報警模塊、AI語音控制模塊等構成。系統整體設計如圖1所示。

主控模塊由智能網關主機、上位機PC組成。智能網關主機兼容多協議無線混合組網，自組網、自恢復、高度穩定，通過串口連接上位機PC，實現上位機和各個模塊之間的信息傳遞。傳感檢測模塊由傳感器節點和ZigBee無線模塊組成，傳感器節點包括室內溫濕度檢測、光照度檢測、人體存在感應檢測、煙霧檢測;ZigBee無線模塊采用基于CC2530的射頻模塊。電器控制模塊由單片機、智能電器和ZigBee無線模塊組成，包括空調、智能窗簾、電燈、背景音樂的開關控制等，通過數據監測，實現自動化控制和遠程控制。安防報警模塊包括攝像頭和紅外傳感器，攝像頭采用WiFi模塊與主控模塊通信;紅外傳感器通過傳輸接口單元，與主控模塊進行通信。AI語音控制模塊由基于X1800核心板的AI語音控制平臺和WiFi無線模塊組成。

3? ? 系統功能設計

3.1? 模塊選型和組網

系統所有模塊及系統元件采用貝樂智能科技有限公司的模塊化產品。系統各個無線模塊功能如表1所示。

系統組網基于ZigBee+WiFi+ HomeRF的混合協議組網：WiFi模塊負責遠程視頻監控、LCD 終端顯示、AI智能語音控制和背景音樂數據傳輸功能;ZigBee模塊負責光照度、煙霧、紅外等傳感器終端的數據采集以及燈光、空調和窗簾等終端的智能控制功能;HomeRF模塊負責智能插座、智能門鎖等終端控制功能。

智能教室無線后裝系統網絡拓撲結構如圖2所示。

3.2? 傳感檢測模塊設計

傳感檢測模塊包括煙霧檢測、光照度檢測、溫濕度檢測和人體紅外感應，采用ZigBee通信協議的星型網絡拓撲結構，智能網關作為PAN協調器與多個終端設備組合而成，終端設備包括傳感器、智能開關、照明等，用來控制窗簾、空調、燈光等。ZigBee模塊選擇的是TI公司的CC2530芯片，包括一個高性能的RF收發器，并集成8051微處理器以及其他強大的支持功能和外設。把環境采集節點、控制節點等設備和協調器設備組網，形成ZigBee通信網絡。

3.3? 電器控制模塊設計

智能電器控制模塊包括智能窗簾控制、智能燈光控制、空調控制、智能插座、背景音樂等功能，其中窗簾控制、燈光控制、空調控制基于ZigBee協議通信組網，智能插座和背景音樂控制基于WiFi通信組網。

3.4? 安防報警模塊設計

3.4.1? 基于WiFi的視頻監控模塊

視頻監控模塊負責對教室視頻圖像的采集、傳輸和處理，包括無線視頻節點（攝像機）和視頻信息集成中心兩個部分，二者采用WiFi模塊進行數據傳輸。WiFi可以連接服務器和手持設備等終端，可與4G，5G移動網絡通信技術等相關技術集成，適合多媒體數據格式的無線傳輸，為提高傳輸速率，在視頻圖像傳輸時需要對圖像壓縮編碼[5]。

3.4.2? 基于ZigBee的人體紅外感應報警

教室門鎖關閉情境下，智能網關主機設置成布防模式，開啟人體紅外監測傳感器監測和與之聯動的自動報警燈裝置。在人體紅外傳感器節點檢測到異常信息時，向ZigBee協調器節點報告信息內容，由協調器節點通過WiFi或者4G網絡向用戶發送報警信息。

3.4.3? 基于4G模塊的手機遠程監控

遠程用戶通過4G模塊與智能網關主機連接，實現遠程監控與控制管理;智能網關主機集成ESP8266芯片，芯片具有超高集成度、超低功耗、體積小等特點，可將用戶的物理設備連接到WiFi網絡以進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能，為用戶提供外部網絡遠程監控、報警功能。

4? ? 結語

廣鐵職院智能教室采用基于無線混合組網技術的智能后裝系統解決方案，差異化的協議標準結合不同場景的運用，充分利用各種短距離無線組網協議的優勢，2017年投入使用，比傳統教室節約20%～30%的電能，還節約了人力，降低了相關費用的支出。在提高無線混合組網的性能方面，今后還需在如下幾個方面做出改進：

（1）對于無線混合組網的終端用戶，很多參數的設置都是預先設定好的，如何在面對復雜變化的網絡時做出動態的應對，還需要進一步思考解決。

（2）ZigBee網絡的干擾不僅來自于教室內部，也可能來自于教室外部，如何在ZigBee網絡中采用合適的機制、降低WLAN網絡的占空比，也是今后需要解決的問題[6]。

[參考文獻]

[1]陳吉君.美國創新教育的載體及其借鑒價值—以中國的智慧教室與美國的智能教室之比較為例[J].中國現代教育裝備，2019（8）：67-70.

[2]李京慧，遲宗濤，崔詩晨.基于ZigBee的智能教室控制系統的設計[J].青島大學學報，2019（3）：84-88.

[3]王嶺娥，白佳榮.基于語音控制的智能家居系統的設計與實現[J].華北理工大學學報，2019（3）：135-140.

[4]蔣楨瀅，陳立嫻，游銘嫻，等.基于WiFi通訊的無線智能家居系統設計[J].福建農機，2019（2）：37-39.

[5]張鑫，華澤鐸，楊玥.基于CC2530的智能教室控制系統的構建[J].工業設計，2017（7），183-184.

[6]尤琦涵，陳兆仕，張沁.OneNET云平臺WiFi遠程控制的智能教室系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2017（10）：69-73.

Abstract：At present， the college classroom is developing towards the direction of intelligence and energy saving. This paper takes the intelligent upgrading of the traditional classroom of Guangzhou Railway Polytechnic as an example， and proposes a solution of wireless post installation system based on multi protocol wireless hybrid networking technology. Through the hybrid networking of ZigBee， WiFi， HomeRF and other wireless post modules， the system can realize the intelligent control of lighting， curtain， air conditioning， door lock and other equipment， AI voice control， intelligent security. Practice has proved that the wireless intelligent post installation system has good energy-saving effect， stability and reliability， easy operation， and realizes the purpose of intelligent transformation of traditional classroom at a lower cost.

Key words：intelligent classroom; wireless hybrid networking; post installation system